行业资讯 > 最新资讯 > 科研成果

组织工程的新宠——能缩能伸的生物相容性水凝胶

研究人员已探究出一种新方式来制造粗糙但柔软,且湿润的生物材料,称为水凝胶,并将它制成复杂又精致的图案形状。研究人员表示,这一过程有助于生产能够帮助药物或细胞进入体内的可注射材料、再生承载组织支架以及坚固且灵敏的机器人。

1.jpg

这一研究发表在Advanced Materials的一篇论文中,作者包括麻省理工学院机械工程系副教授Xuanhe Zhao及其在麻省理工学院、杜克大学和哥伦比亚大学的同事。


Zhao表示,新工艺可以产生复杂的水凝胶结构,该结构十分牢固,能与细胞封装结构相兼容。这将使打印三维复杂的水凝胶结构成为可能。例如:埋植剂与细胞和药物融合,然后被植于体内。


水凝胶,由水分子构成,包裹在橡胶聚合物网络中,具有特定的形状和结构,类似于软骨等自然组织,这些自然组织在身体里被看成一个自然的减震器。新的3 D打印过程有利于生产坚固的人工水凝胶结构,这些结构可以修理或更换软骨等承载组织。


然而合成水凝胶通常并不耐用,且易损坏,过去的十年里,许多坚固且可伸缩的水凝胶已经被开发。但是,Zhao 指出,先前坚固的水凝胶通常需要苛刻的化学环境,会杀死封装在里面的活细胞。


Zhao在麻省理工学院土木与环境工程系达成一个联合协议,他说:新材料是良性的,能使类似干细胞等活细胞合成在一起,提高细胞的生存能力。

此外,Zhao 指出,之前的工作并不能产生具有坚固水凝胶的复杂三维结构。新型生物相容性坚固水凝胶可以被打印成不同的3 D结构,如:空心立方体,半球,金字塔,交叉曲线,多层网状,以及与生理相关的形状,如:人类的鼻子或耳朵。


Zhao 表示,新方法采用商用3 D打印机制:这一创新的确与材料有关,这是一种新型三维打印墨水,专为生物相容性坚固水凝胶设计。具体来说,这是两种不同生物聚合物的合成,他说:单独的一种材料容易受损,但是合成在一起,就像钢筋混凝土一样坚固。


其中一种聚合物为印刷材料提供弹性,另外一种聚合物能让材料在变形时消散能量而不至于被破坏。第三种成分,生物相容的纳米黏土,用于调整材料的粘度,提高3 D打印喷嘴对流量的控制力。


该论文的第一作者,Zhao副教授研究小组的博士后Sungmin Hong说:制作材料十分灵活,以至于打印出来的形状,例如:金字塔,被压缩至99%后,还能恢复原来的形状。还能延伸到其原始大小的5倍。这样的韧性是自然身体组织的一个关键特性,因为这些组织通常需要承受各种各样的力量和影响。


Zhao表示,这些材料最终可能会被制成客户需要的形状,用来替换耳朵、鼻子或负重关节中的软骨组织。实验研究表明,这种材料甚至比自然软骨组织更牢固。


下一步研究将针对提高打印机的分辨率,目前从动物模型测试来看,打印水凝胶结构的分辨率只有500微米。Zhao说:我们正在提高分辨率,争取打印出更精确的应用结构。


除了生物医学应用,同样的技术可以应用于打印各种柔软但耐用的结构材料,例如:柔软的机器人制动器。


David Mooney,哈佛大学生物工程教授,他并没有参与这项工作,但他说:这项工作非常完美,展示了坚固水凝胶应用的巨大进步。为其他聚合物系统的使用提供了参考作品,其中部分作品由Zhao博士完成,利用一个共同的生物聚合物实现类似的机械性能,这是一个重大突破。


Mooney还说到:令人兴奋的是,这些新的凝胶可以用于3D打印。据我所知,这是前所未有的体验。

热门排行

推荐阅读